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Erstellen einer DC-DC-Stromversorgung, die funktioniert

Abstract: Dieser Artikel beschreibt wichtige Überlegungen beim Entwurf einer DC-DC-Stromversorgung. Themen umfassen die Auswahl der richtigen DC-DC-Wandler für die Anwendung; MOSFET-Gate-Kapazität; hohe Schaltfrequenzen und Komponentengröße; Gleichungen und Berechnungen; Auswählen von peripheren Komponenten; Komponentenplatzierung und Trade-Offs; Erdung; Last- und Linienregulierung; Temperaturempfindlichkeit.

Einführung

Die erste DC-DC-Wandlerschaltung eines Designers hat in der Regel eines mit ersten Versuchen auf einem anderen Gebiet gemeinsam: Es hat eine geringe Chance, beim ersten Einschalten zufriedenstellend zu arbeiten. Das mag nach einer düsteren Einschätzung klingen, spiegelt aber dennoch die Realitäten des Schaltnetzteildesigns wider. DC-DC-Wandler sind komplexe Systeme. Selbst wenn sie durch hoch integrierte ICs vereinfacht werden, erfordern sie immer noch umfangreiche Komponentenberechnungen und durchdachte Auswahl des Controller-IC. Darüber hinaus sind sie empfindlich gegenüber Platinenlayout und parasitären Komponenten (dh den Eigenschaften einer Komponente, die nicht ideal sind, wie z. B. Widerstand in einem Kondensator oder Kapazität in einem MOSFET-Schalter).

Es gibt wenige umfassende Quellen für DC-DC-Designinformationen. Technische Lehrbücher diskutieren Steuerungstheorie, Schleifenkompensation und andere hochgradig detaillierte analytische Methoden. Datenblätter für DC-DC-Wandler geben spezifische Formeln und einige Layout-Informationen. Es stehen weniger Informationen zur Verfügung, um den Gesamtentwurf von DC-DC-Wandlern auf der Basis integrierter Schaltungen von Anfang bis Ende zu führen.

Dieser Artikel füllt Informationslücken für ein erstes DC-DC-Netzteil-Design. Es ist das Ergebnis von Fehlern und Erfolgen des Autors mit einer Vielzahl von Stromversorgungskreisen.

Geräteauswahl

Sobald die anfänglichen Spezifikationen eines DC-DC-Designs ausgewählt sind (z. B. Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannung, Ausgangsstrom), besteht der erste Schritt darin, einen Wandler-IC auszuwählen. Die gewünschte DC-DC-Topologie wird diese Auswahl einschränken. Wenn die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung ist, wählen Sie eine Buck-Topologie (dh eine Abwärts-Topologie). Wenn die Eingangsspannung kleiner als die Ausgangsspannung ist, wählen Sie eine Boost-Konfiguration (dh eine Aufwärtswandlung). Wenn die Eingangsspannung über und unter der Ausgangsspannung liegt, wird ein Buck-Boost-Wandler oder ein SEPIC-Wandler benötigt. Wenn die Ausgangsspannung negativ ist, wird schließlich eine invertierende Topologie verwendet.

Beachten Sie, dass ein Boost-DC-DC-Wandlerausgang mit der Eingangsspannung ansteigt, wenn der Eingang den für die Ausgangsspannung eingestellten Wert überschreitet. In ähnlicher Weise kann ein Abwärtswandler die gewünschte Ausgabe nicht liefern, wenn die Eingangsspannung geringer als diese Ausgabe ist. Es wird gesagt, dass es in "Dropout" ist, wenn das passiert.

Viele DC-DC-Lastanforderungen können von DC-DC-Wandler-ICs erfüllt werden, die integrierte Leistungsschalter enthalten. Die meisten derartigen ICs umfassen MOSFETs, aber einige verwenden bipolare Transistoren. Die Laststromfähigkeit von neueren internen MOSFET-DC-DC-ICs kann bis zu 25 A bewältigen (z. B. MAX8655 und MAX8686). Eine interne Schaltervorrichtung, falls verfügbar, wird normalerweise bevorzugt, sowohl aus Gründen der allgemeinen Einfachheit als auch (oft) zu niedrigeren Gesamtkosten.

Hochleistungs- oder Hochspannungsanwendungen, die die Fähigkeiten von internen MOSFET-Vorrichtungen übersteigen, benötigen externe MOSFET-Schalter. DC-DC-Wandler, die zum Ansteuern externer Leistungsschalter ausgelegt sind, werden üblicherweise "Controller" genannt. Diese ICs enthalten Treiber zum schnellen Laden und Entladen der Gate-Kapazität eines externen MOSFETs. Die Fähigkeit, ein MOSFET-Gate schnell zu laden und zu entladen, ist entscheidend, um eine hocheffiziente Umwandlung zu erreichen. Der Switch möchte so wenig Zeit wie möglich im Übergang zwischen seinen Ein- und Aus-Zuständen verbringen, da dann der Energieverlust am größten ist. Die meisten DC-DC-Controller spezifizieren eine maximale Gate-Kapazität, die sie ansteuern können. (Siehe Abschnitt, MOSFET-Gate-Kapazität unten).

Zusätzlich zu den Topologie-, Spannungs- und Strombetrachtungen gibt es wahrscheinlich andere Anwendungseigenschaften, die die Wahl von DC-DC-ICs bestimmen. Zum Beispiel sollte ein DC-DC-Wandler in den meisten Automobilanwendungen in der Lage sein, Kalt-Kurbel- und Lastablassbedingungen sowie einen Temperaturbereich von -40 ° C bis + 125 ° C zu tolerieren. Maxims online parametrisches Suchwerkzeug hilft bei der Auswahl zwischen Konverterfunktionen und -spezifikationen.

MOSFET-Gate-Kapazität

Power-MOSFET-Hersteller bieten neben DC-Spezifikationen wie On-Resistance verschiedene dynamische und schaltende Parameter auf ihren Datenblättern an. In den meisten Fällen ist die Gesamt-Gate-Ladung (QG) von vorrangigem Interesse, wenn externe MOSFETs mit DC-DC-Wandlern verwendet werden. Wählen Sie MOSFETs, für die der QG innerhalb des vom Hersteller des DC-DC-Wandlers empfohlenen Bereichs liegt. Die Verwendung des MOSFET-typischen QG-Werts ist in den meisten Fällen gut. Die maximale Anzahl ist normalerweise zu konservativ. Die QG-Spezifikation wird verwendet, wenn ein "Open-Drain" -Low-Side-N-Kanal- oder High-Side-P-Kanal-MOSFET angesteuert wird, oder mit anderen Worten, wenn die MOSFET-Quelle während des Schaltens die Spannung nicht ändert.

In Schaltungen, in denen sich die Quellenspannung während des Schaltens ändert, ist der nützlichere dynamische Parameter die Rückübertragungskapazität (CRSS). CRSS wird bei der Berechnung von Schaltverlusten in einem High-Side-n-Kanal-MOSFET eines Abwärtswandlers gemäß der folgenden Gleichung verwendet:

PD (Schalten) = (C RSS × V IN ( MAX ) ² × f SW × I LOAD ) / I GATE

Dabei ist IGATE die Peak-Gate-Quelle und der Senkenstrom, und fSW ist die Schaltfrequenz.

PWM und andere Steuerschemata

Das am weitesten verbreitete DC-DC-Wandler-Steuerschema ist die Pulsbreitenmodulation (PWM). PWM-Wandler halten eine konstante Schaltfrequenz über einen breiten Lastbereich aufrecht. Dieses Verhalten kann wichtig sein, wenn das Umschalten von Störungen andere Prozesse in einem System beeinträchtigen könnte. Die Begrenzung des Rauschens auf ein bekanntes Band mildert häufig die Interferenz.

Das am zweithäufigsten verwendete Steuerschema ist die Pulsfrequenzmodulation (PFM), bei der der Wandler nur dann Schaltimpulse liefert, wenn er von der Last benötigt wird. PFM-Wandler zeichnen sich durch Anwendungen aus, die einen niedrigen Ruhestrom und einen hohen Wirkungsgrad bei sehr kleinen Lasten erfordern. Einige Wandler-ICs verwenden beide Schemata, um eine gute Idle-Mode-Effizienz mit geringem Rauschen zu kombinieren.

Die Schaltfrequenzen von IC-DC-DC-Wandlern und Controllern reichen von 65 kHz bis über 4 MHz. Im Allgemeinen ist es wahrscheinlich am besten, Geräte zu vermeiden, die unter 100 kHz arbeiten, da solche Frequenzen typisch für alte Geräte mit schlechter Effizienz sind. Eine höhere Schaltfrequenz ermöglicht kleinere externe Komponenten zusammen mit niedrigeren Spitzenströmen und I²R-Verlusten, aber Kernverluste, Gate-Ladeströme und Schaltverluste nehmen zu. (Siehe Abschnitt "Hohe Schaltfrequenz reduziert die Komponentengröße.") Wenn die Anwendung die kleinstmögliche Größe erfordert, suchen Sie nach Wandlern mit Schaltfrequenzen von 1 MHz und darüber. Andernfalls wählen Sie einfach ein Gerät, das die Leistungskriterien erfüllt, und vergewissern Sie sich, dass die Schalthäufigkeit nicht mit anderen Komponenten im System interferiert.

Hohe Schaltfrequenz reduziert die Komponentengröße

Ein kontinuierlicher Trend bei DC-DC-Wandlern ist zu höheren Schaltfrequenzen, um kleinere Komponentengrößen zu erreichen. Wenn mehr Schaltzyklen pro Sekunde auftreten, kann die Energie pro Schaltzyklus (und die Größe der Komponenten, die diese Energie speichern) kleiner sein. Induktorwerte können zum Beispiel niedriger sein. Das Verhalten des Induktors wird durch die folgenden Gleichungen bestimmt:

V L = L × (di / dt)

W L = (L × i²) / 2

Betrachten Sie zum Beispiel einen Abwärtswandler, der bei 500 kHz mit einer Induktivität von 10 μH arbeitet. Wenn die Frequenz auf 1 MHz geändert wird, kann genau die Hälfte der Induktivität (5 μH) verwendet werden, um die gleiche Leistungsübertragung zu erzielen. Obwohl der Induktivitätswert um die Hälfte abnimmt, bleibt die Strombedingung gleich. Die zweite Gleichung zeigt, dass wir den benötigten Energiespeicher des Induktors nur um die Hälfte reduziert haben. Da die Induktivität proportional zum Quadrat der Anzahl der Windungen ist, bedeutet die Reduzierung der Induktivität um die Hälfte, dass die Anzahl der Windungen auf 70,7% der ursprünglichen Anzahl reduziert wird. Die Reduzierung der Windungen reduziert auch proportional den Gleichstromwiderstand (DCR), so dass der resultierende Induktor kleiner ist und einen geringeren DCR aufweist.

Eine höhere Schaltfrequenz reduziert auch die Größe des Ausgangskondensators. Im obigen Beispiel beträgt die erforderliche Kapazität 67 μF bei 500 kHz, aber nur 33 μF bei 1 MHz. Die Ripple-Current-Spezifikation bleibt unverändert.

Nach der Auswahl eines bestimmten Gerätetyps (Buck, Boost, etc.), treffen Sie die endgültige Auswahl auf der Website des Herstellers der DC-DC-Wandler. Überprüfen Sie auf der Website des Herstellers stets das aktuelle Datenblatt. Suchen Sie dort nach Anwendungshinweisen, die für das Gerät gelten, das Sie in Betracht ziehen. Sie dienen als Richtlinie und enthalten häufig Schaltungen, die mit wenig oder keiner Modifikation verwendet werden können. (Siehe: Kochbuch für die Stromversorgung, die Anwendungshinweise für die Stromversorgung von Maxim und die Produkte für Stromversorgung und Batteriemanagement.) Aus den Anwendungshinweisen und Datenblättern können Sie die Gleichungen entnehmen, die für das Design Ihres Geräts gelten.

Design Gleichungen

DC-DC-Wandler-Datenblätter sollten Gleichungen enthalten, die zum Entwurf Ihrer Schaltung hilfreich sind. Makromodelle oder Tabellenkalkulationsdateien zum Berechnen von Komponentenwerten können auch auf der Produktwebseite verfügbar sein. Lesen Sie das IC-Datenblatt sorgfältig durch, um sicherzustellen, dass Sie die richtigen Gleichungen für die erforderliche Leistung und Betriebsart auswählen. Sobald die wichtigsten Designparameter bekannt sind und Sie die richtigen Gleichungen haben, ist das beste Werkzeug zur Auswertung der Gleichungen eine Tabellenkalkulation wie Excel® oder ein Ingenieur-Mathematik-Programm wie MathCAD. Das EE-Sim®-Tool von Maxim erstellt ein interaktives Schema mit einer hocheffizienten Simulations-Engine. Wenn das ausgewählte Gerät über ein EE-Sim-Modell verfügt, verwenden Sie dieses, um die entsprechenden Komponenten für Ihr Design zu berechnen.

Kalkulationstabellen

Spreadsheets sind ein effektives Basis-Design-Tool für DC-DC-Wandler. Sie können sogar als grobe Schaltungssimulatoren dienen, und ihre "Solve" -Funktion kann helfen, Komponentenwerte zu optimieren. Bei Verwendung mit Gleichspannungswandlergleichungen ermöglicht eine Tabellenkalkulation einen iterativen Ansatz, der die Komponentenauswahl unterstützt, indem Ursachen-Wirkungs-Beziehungen schnell angezeigt werden.

Betrachten wir zum Beispiel den MAX1742, einen internen Abwärtswandler. Der Abschnitt Konstruktionsverfahren des Datenblattes enthält notwendige Informationen und die Reihenfolge für Berechnungen. Wir nehmen einen konstanten 5V Eingang, einen 3,3V Ausgang mit einem maximalen Laststrom von 500mA und eine 500kHz Betriebsfrequenz an.

Verwenden Sie wann immer möglich die definierten Variablennamen. Wenn Sie weitere Gleichungen eingeben, definieren Sie die Ergebnisse dieser Berechnungen mit mehreren Namen. Wählen Sie die Namen, damit Sie sich leicht merken können, was sie bedeuten, wenn Sie die Berechnungen später überprüfen.

Geben Sie zunächst oben in einem neuen Arbeitsblatt Namen für alle vorgegebenen Werte ein (Abbildung 1). Diese Namen können VINMIN, VINMAX, VOUT, IOUT, FREQ (Frequenz) und andere dem Konverter zugeordnete Begriffe enthalten. Definieren Sie in den Zellen unmittelbar unter den Zellen, die diese Namen enthalten, Zellnamen, die den oben angegebenen Namen entsprechen.


Abbildung 1. Verwenden von Zellnamen in Tabellenkalkulationen

So definieren Sie einen Zellennamen: Wählen Sie die zu benennende Zelle aus, wechseln Sie zum Menü Einfügen und wählen Sie Name und dann Definieren im Untermenü. In Excel wird ein Dialogfeld angezeigt, in dem der Text direkt über der ausgewählten Zelle (als Standardname) vorgeschlagen wird. Um die Zelle zu benennen, klicken Sie in diesem Dialogfeld auf OK. Fahren Sie in der Zeile fort, bis alle diese Felder benannt wurden. Mit dieser Benennung können Sie in Ihren Berechnungen auf VINMAX anstatt auf Zelle A2 verweisen. Beachten Sie, dass die ausgewählte Zelle in Abbildung 1 A2 ist und den Wert 5 hat. Der Name der Zelle wird direkt über der mit A gekennzeichneten Zeile angezeigt. Anschließend durchgehen Sie die Entwurfsprozedur und wählen Sie alle erforderlichen Komponentenwerte aus (Tabelle 1). Beachten Sie, dass ursprüngliche Tabellenwerte zur besseren Übersichtlichkeit in SI-Einheiten konvertiert wurden.

Tabelle 1. Erste Komponentenberechnungen

V INMAX V INMIN V OUT I OUT Frequenz

5 5 3,3 0,5 500 kHz

Berechnen Sie zuerst R TOFF .

VPMOS VNMOS t AUS R TOFF

45 mV 35 mV 673 ns 66,3 kΩ

Wählen Sie den Wert für LIR, und berechnen Sie L und IPEAK.

LIR_INIT L I SPITZE

30% 14,8 uH 575 mA

Als nächstes werden die Ausgangskondensatorparameter berechnet.

I RIPPLE ESR_MIN C OUT_MIN

529.6mA 0.22Ω 6.73μF

Soft-Start-Berechnungen

t SS C SS

100 ms 0,22 uF

Komponentenauswahl

Wählen Sie mit den Werten aus Tabelle 1 die Peripheriekomponenten des DC-DC-Konverters aus. Überprüfen Sie die Empfehlungen des Datenblattes, um sicherzustellen, dass jede Komponente für die Aufgabe geeignet ist. Wenn der berechnete Induktivitätswert nicht verfügbar ist, wählen Sie den nächstniedrigeren Standardwert. Wenn kein berechneter Kondensatorwert verfügbar ist, wählen Sie die nächst größere Standardgröße.

Die Induktivität wird hauptsächlich basierend auf dem Induktivitätswert, dem Gleichstromwiderstand (DCR) und der Spitzenstrombedingung ausgewählt. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Induktivität für die gewünschte Schaltfrequenz ausgelegt ist. Wenn diese Daten nicht bereitgestellt werden, wählen Sie eine andere Induktivität, für die die Daten verfügbar sind. Induktivitäten sind in Oberflächenmontage- und Durchgangsloch-Versionen erhältlich, aber im Allgemeinen bieten oberflächenmontierte Typen eine bessere Leistung, insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen. In unserem Beispiel haben wir eine enge Übereinstimmung mit einem Coiltronics® Thin-Pac TP1-150, einem 15μH Induktor mit 0.73A Sättigungsstrom.

Der Eingangskondensator reduziert sowohl den von der Eingangsversorgung gezogenen Spitzenstrom als auch das abgestrahlte Rauschen zu anderen Elementen des Systems. Die meisten Datenblätter schlagen entweder spezifische Werte vor oder geben Gleichungen zur Berechnung des Eingangskondensatorwerts an. Stellen Sie sicher, dass der Kondensator in der Nähe der gewählten Schaltfrequenz mit einer Rippelstromstärke spezifiziert ist. Bei unserem 500 kHz-Beispiel könnte der Kondensator ein organischer Elektrolyt, ein organischer Polymer-, Keramik- oder Tantaltyp sein.

Tantal-Kondensatoren können auf große augenblickliche Spannungsstufen und hohe Stromstöße heftig reagieren. Verwenden Sie daher kein Tantal zur Eingangsumgehung, wenn die Eingangsleistung über einen mechanischen Schalter angeschlossen wird. Unser Schaltkreis stammt aus einem geregelten Netz, daher brauchen wir uns nicht um diese Einschränkung zu kümmern. Wir wählen daher einen Kondensator, der die Anforderungen an die Stromstärke und die Spannung erfüllt, wie z. B. einen 100μF-Kondensator der AVX® TPS-Serie im C-Gehäuse und für 10 und 742 mA Ripple-Strom. Der Eingangskondensator-Welligkeitsstrom in einem Abwärtswandler kann angenähert werden als:

I RIPPLE_CIN (RMS) = [I AUS / V IN ] [V AUS (V IN - V AUS )] 1/2

Als Ausgangspunkt wählen Sie einen Kondensator, der den empfohlenen Mindestwert von 22μF erfüllt und überprüfen Sie, ob er die erforderliche Nennspannung erfüllt. Für unser Beispiel ist der 33μF-Kondensator der AVX TPS-Serie im Fall der C-Größe für den 10-V-Betrieb ausgelegt. Sein maximaler ESR beträgt 0,375Ω, was nahe am Ziel liegt.

Der Soft-Start-Kondensator und der TOFF-Widerstand haben keine besonderen Anforderungen; Wählen Sie sie aus den nächsten verfügbaren Standardwerten aus. Um die Auswahl der Komponenten zu vervollständigen, wählen Sie die restlichen Werte aus einer typischen Anwendungsschaltung oder dem Schaltplan des Evaluierungssatzes (EV).

Spreadsheet Revisited

Da Kondensatoren und Induktivitäten eine endliche Anzahl von Standardwerten aufweisen, kann der nächstliegende verfügbare Wert um mehr als 20% vom berechneten Wert abweichen. In diesem Fall sollte das Arbeitsblatt mit den tatsächlichen Werten neu berechnet werden, um sicherzustellen, dass die Schaltung ihre Entwurfsziele noch immer erfüllt. Wie in Tabelle 2 gezeigt, sind weitere Korrekturen nicht erforderlich, da sich unsere RTOFF- und Induktorauswahl nur minimal auf den Arbeitspunkt der Schaltung auswirken.

Tabelle 2. Überprüfen der tatsächlichen Komponentenwerte

Berechnen Sie t OFF und Frequenz mit dem ausgewählten R TOFF- Wert.

R TOFF t OFF Frequenz

68kΩ 688ns 488,8kHz

Berechnen Sie LIR und IPEAK mit dem ausgewählten L-Wert.

LIR Ich spreche

15 μH 30,3% 576 mA

Komponentenplatzierung

Wenn Sie die Leiterplatte für dieses Beispiel verlegen, sollten Sie zuerst den DC-DC-Wandler-IC (z. B. den MAX1742), die Induktivität und die Eingangs- und Ausgangskondensatoren platzieren. Bewegen Sie diese Komponenten dann so, dass der Eingangskondensator in der Nähe der Eingangspins des MAX1742 liegt. der Induktor befindet sich nahe dem LX-Pin des ICs; und der Ausgangskondensator ist nahe dem Induktor und den Erdungsstiften des ICs. Die Optimierung all dieser Komponentenpositionen kann abhängig von den Positionen der IC-Pins Kompromisse erfordern. In Maxims DC-DC-Wandler-ICs werden Pin-Positionen sorgfältig ausgewählt, um die Leistungsfähigkeit der Schaltung und das Layout der PCB zu verbessern.

Der kritischste Knoten ist in den meisten Fällen die gemeinsame Masse zwischen den Eingangs- und Ausgangskondensatoren und dem Erdungsanschluss des IC. Diese drei Gründe müssen sehr nahe sein, normalerweise innerhalb von 10 mm voneinander ( Abbildungen 2a und 2b ). Während des Ladezyklus (Fig. 2a) fließt Strom von dem Eingangskondensator durch den High-Side-Schalter, den Induktor, den Ausgangskondensator über die Masseebene und zurück in den Eingangskondensator. Während des Entladezyklus (Abbildung 2b) fließt der Strom weiterhin durch den Induktor, den Ausgangskondensator, über die Masseebene, zurück durch den Erdungsstift des ICs, durch den Low-Side-Schalter und zurück in den Induktor.


Abbildung 2. Diese Diagramme zeigen die Strompfade während der Lade- (a) und Entladezyklen (b) des Abwärts-Gleichspannungswandlers.

Da dieser zirkulierende Strom andere Schaltungen stören kann, muss seine Pfadlänge kurz gehalten werden (kurze Pfade tragen ebenfalls zu einem stabilen Betrieb und Wirkungsgrad bei). Eine zu lange Weglänge im Erdungsteil (während eines Zyklus) kann die Referenz der Schaltung für andere Schaltungselemente beeinträchtigen. Diese Bedingung kann auch zu schlechter Regelung, übermäßiger Ausgangswelligkeit und sogar Instabilität führen. Das Platzieren der Eingangskondensatormasse, der Ausgangskondensatormasse und der IC-Masse nebeneinander minimiert diese unerwünschten Effekte.

Eine weitere wichtige Überlegung für die Masseverbindungen von stromführenden Komponenten ist die Verwendung mehrerer paralleler PCB-Durchkontaktierungen, wenn sich die Masseebene auf einer anderen PCB-Schicht befindet. Dies ist besonders wichtig für Eingangs- und Ausgangsfilterkondensatoren. Eine einzelne Durchkontaktierung fügt oft Widerstand und Induktivität in Reihe mit dem Kondensator hinzu, wodurch seine Wirksamkeit verringert wird.

Macht Boden

Nach dem Einbringen der Bauteile nach den obigen Kriterien wird der gemeinsame Boden entweder mit breiten Spuren oder mit einem Polygon aus massivem Kupfer verbunden. Verwenden Sie so viel Kupfer wie möglich, um einen niederohmigen Pfad zwischen den Elementen zu erzeugen.

Lokaler Boden

Die typische Anwendungsschaltung für viele DC-DC-Wandler-ICs gibt mehrere Symbole für Masse an - dies ist ein ausgezeichneter Hinweis darauf, wie ein erfolgreiches Schaltungslayout zu erreichen ist. Eines der verschiedenen Symbole zeigt oft eine lokale Grundebene an und trägt typischerweise den Titel SGND oder AGND. Elemente, die mit der lokalen Masseebene verbunden sind, können Referenz-Bypass-Kondensatoren, Widerstandsteiler und Widerstände enthalten, die Arbeitspunkte setzen (wie in dem Beispiel Widerstand RTOFF), sollten jedoch keine Hochstromerdung wie etwa solche von Schalt-MOSFETs enthalten.

Die lokale Masseebene ist ein massives Kupferpolygon, das am besten nur an einer Stelle mit der Leistungserdungsebene verbunden ist, typischerweise mit dem Pin PGND. Lokale Masseflächen verhindern, dass Schaltströme die rauscharme lokale Masseebene verschmutzen. Diese Schaltströme übersteigen oft 10 A.

Grundebene

Da viele Systeme auf einer separaten Masseebene für alle Komponenten auf der PCB beruhen, ist es oft verlockend, die Masseebene des DC-DC-Wandlerabschnitts für diesen Zweck zu verwenden. Diese Versuchung sollte vermieden werden. Die oben erwähnten Schaltströme können Erdungsfehler über die Platine verursachen, übermäßige EMI erzeugen, ungültige Logikzustände verursachen, den Rauschpegel erhöhen und Instabilität verursachen. Die geeignete Schnittstelle zwischen der DC-DC-Wandlerschaltung und der Masseebene ist eine einzelne Durchkontaktierung (oder eine kleine Gruppierung von mehreren Durchkontaktierungen), die von der gegossenen Kupfer-Leistungsmasse zur vergrabenen Masseebene führt.

Signalweiterleitung

Nach Abschluss des anfänglichen Bodenlayouts nehmen Sie die erforderlichen Verbindungen für die ersten vier kritischen Komponenten vor und platzieren und routen die verbleibenden Komponenten. Ein nützlicher Ansatz besteht darin, alle unkritischen Signale mit kleinen Durchkontaktierungen auf die Rückseite der Leiterplatte zu bringen, während die Oberseite der Leiterplatte für das Routing kritischer Hochstrom-Spuren reserviert wird.

Berücksichtigen Sie bei der Weiterleitung von Stromschleifen auf Leiterplatten die DC- und AC-Komponenten des Signals. Denken Sie daran, dass jede Spur ein Widerstand und eine Induktivität ist und auch kapazitiv mit anderen Spuren gekoppelt sein kann. Die Verwendung jedes Signals in der Schaltung bestimmt die optimale Spurbreite und -länge. Hochgeschwindigkeits- und Hochstromsignale erfordern kurze, breite Spuren. Längere, dünnere Spuren sind für weniger kritische Signale wie Niedriggeschwindigkeitslogik akzeptabel. Route High-Speed-Switching-Knoten weg von sensiblen analogen Bereichen wie das Kompensationsnetzwerk und Feedback-Knoten. Halten Sie außerdem die Kompensations- und Feedback-Netzwerke so klein wie möglich, um eine Rauschaufnahme zu verhindern. Weitere Informationen finden Sie in den Layout- und Erdungsrichtlinien auf dem PCB-Layout des EV-Kits.

Überprüfung

Nachdem der Konverter fertiggestellt ist und Prototyp-Platinen zusammengebaut sind, sollte das Gesamtdesign auf die ursprünglichen Kriterien überprüft werden. Wenn das Design im Hinblick auf die diskutierten Themen sorgfältig umgesetzt wurde, sind die Chancen für einen ersten Erfolg gut. Aber selbst gewissenhafte Designs können noch "Tweaking" erfordern. Wenn Sie Änderungen vornehmen, vergewissern Sie sich anhand von Berechnungen oder Modellen, dass bestimmte andere wichtige Eigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Zum Beispiel können Sie feststellen, dass die Ausgangswelligkeit bei einer kleineren Ausgangsfilterkapazität akzeptabel ist, aber eine solche Änderung könnte auch die Stabilität beeinflussen.

Effizienz

Der Wirkungsgrad ist häufig ein Schlüsselparameter für den DC-DC-Wandler, insbesondere für Geräte, die mit einer Batterie betrieben werden, und insbesondere für die Stromversorgung in Laptop-Computern und kleinen Handgeräten. Die Effizienz der Laptop-Stromversorgung wirkt sich direkt auf die Batterielebensdauer aus, beeinträchtigt jedoch auch die Verlustleistung. es sollte mit den Einschränkungen der Wärmeabfuhr abgestimmt werden. Beachten Sie, dass ein DC-DC-Wandler, der 50 W mit 85% Wirkungsgrad liefert, immer noch 8,8 W Wärme innerhalb des Gehäuses abführt.

In Laptops ist Effizienz über einen großen Bereich von Betriebsbedingungen hinweg wichtig. Beispiele sind eine schwache Batterie, volle Batterie und das Laden der Batterie sowohl im Standby- als auch im Betriebsmodus. In anderen Anwendungen hängen die effizienzkritischen Punkte davon ab, wie das Gerät verwendet wird. Der Wirkungsgrad bei geringer Last und der Ruhestrom können bei kleinen tragbaren Geräten wie einem persönlichen Blutzuckermessgerät am wichtigsten sein, während bei der Netzwerkhardware der Wirkungsgrad bei voller Auslastung und die Wärmeerzeugung am wichtigsten sind.

Ladungsregulierung

Die Fähigkeit eines Konverters, unabhängig von der Last innerhalb der spezifizierten Toleranz der Ausgangsspannung zu bleiben, wird als Lastregelung bezeichnet. Dies gilt für DC, aber auch für schnelle Transienten, wie sie bei Hochgeschwindigkeits-CPUs auftreten. Sie sollten sicherstellen, dass die Ausgangsspannung innerhalb der Spezifikation bleibt, wenn sie mit Strömen von Null bis zum Maximum belastet wird. Stellen Sie sicher, dass die Ausgangsspannung nicht unterschritten wird, wenn sich die Last schnell vom Minimum zum Maximum ändert. Stellen Sie sicher, dass der Maximalwert nicht überschritten wird, wenn der Laststrom vom Maximum zum Minimum fällt. Beachten Sie, dass die in den meisten technischen Datenblättern der Datenblätter angegebenen Spezifikationen für die Linien- und Lastregelung bei DC gemessen werden, während die Übergangsleistung normalerweise in den typischen Betriebskurven dargestellt wird. Weitere Informationen finden Sie in den Anwendungshinweisen 752, "Erstellen eines schnellen Lasttransienten", und 3453, "Testen einer Stromversorgung für Netz- und Lasttransienten".

Zeilenregulierung

Die Fähigkeit einer Stromversorgung, die Ausgangsspannung mit einer variierenden Eingangsspannung aufrechtzuerhalten, wird als Leitungsregelung bezeichnet. Auch hier sollte es sowohl bei DC als auch bei einem schnellen AC-Transient untersucht werden. Ein vorübergehender Fehler tritt auf, wenn ein Laptop-Computer vom Netzteil zum internen Akku und zurück wechselt. In manchen Systemen kann die Spannungsänderung bis zu 10 V betragen. Stellen Sie sicher, dass die Ausgangsspannung innerhalb der Spezifikation bleibt, wenn sich die Eingangsspannung vom Minimum zum Maximum ändert. Stellen Sie sicher, dass Änderungen der Eingangsspannung keine Spitzen oder Täler in der Ausgangsspannung verursachen, die die Spezifikationen für die Ausgangsspannung überschreiten.

Temperaturempfindlichkeit

Es kann nützlich sein, ein System auf einem Labortisch zu bewerten und es für die Anwendung zu beurteilen, aber noch ein kritischer Zustand muss untersucht werden: Leistung über den ungünstigsten Betriebstemperaturbereich. Die Leistung gemäß den oben genannten elektrischen Kriterien sollte bei den höchsten und niedrigsten Temperaturen gemessen werden, denen das System während des Betriebs ausgesetzt ist. Achten Sie auf Parameter, die sich drastisch ändern, und auf solche, die sich der oberen oder unteren Grenze der Temperatur nähern.

Der beste Weg, um ein System über die Temperatur zu bewerten, ist die Verwendung einer Klimakammer. Mit der Kammer können Sie computergesteuerte Experimente über einen breiten Temperaturbereich und mit einer Genauigkeit von 1 ° C oder besser durchführen. In Fällen, in denen eine Kammer nicht möglich ist, können Sie sich mit weniger ausgereifter Ausrüstung ein Bild von der Übertemperaturleistung machen. Gewöhnliche Heißluftgebläse und sogar Haartrockner sind nützlich, um eine Schaltung während des Tests zu erwärmen. Um einen Kreis weit unterhalb der Umgebungstemperatur zu kühlen, sprühen Sie ihn mit einem komprimierten Inertgas-Kaltspray (in vielen technischen Katalogen angeboten). Vermeiden Sie Kondensation bei der Kühlung von Bauteilen. Wenn Kondensation auftritt, beachten Sie, dass eine Schaltkreisschwankung möglicherweise auf Feuchtigkeit auf der Leiterplatte und nicht auf Temperaturempfindlichkeit des Schaltkreises zurückzuführen ist.

Fazit

DC-DC-Stromversorgungsdesign ist weder Raketenwissenschaft noch allgemeines Wissen. Die Liste der Merkmale, die bei einem erfolgreichen Entwurf berücksichtigt werden müssen, mag entmutigend erscheinen, aber ein methodischer Ansatz kann zu einer Arbeitsschaltung mit minimaler Iteration führen. Indem Sie die Prinzipien in diesem Artikel anwenden, können Sie die meisten der typischen Fehler des ersten Entwurfs beseitigen.

Maxim bietet EV-Kits für die meisten DC-DC-Wandler an. Maxims kostenloses EE-Sim-Simulationstool kann auch für zuverlässigere Stromversorgungsdesigns verwendet werden und ist für eine wachsende Anzahl von Stromversorgungsgeräten verfügbar.

AVX ist eine eingetragene Marke der AVX Corporation.

Coiltronics ist eine eingetragene Marke der Cooper Technologies Company.

EE-Sim ist eine eingetragene Marke von Maxim Integrated Products, Inc.

Excel ist eine eingetragene Marke der Microsoft Corporation.

Quelle von : maximintergrated.com

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